Нормирование и расчет теплозащитных характеристик окон

23 213

Светопрозрачные конструкции состоят из светопрозрачного материала и обрамляющих его элементов, класс которых влияет на окна цену. При этом характер теплообмена принципиально различен для остекления и элементов коробки и переплетов (рамы и створки).
В зависимости от применяемой оконной системы и заданных геометрических размеров, на непрозрачные участки окна может приходиться до 30% его площади. Вместе с тем, вопросы теплообмена в тонкостенных профилях, из которых собираются все современные окна, за исключением деревянных, на сегодняшний день являются наименее освещенными в доступной для отечественных проектировщиков специальной литературе.

Таблица 1 Термическое сопротивление оконных профилей различной конструкции

Система	Термическое сопротивление пакета профилей	Коэффициент теплопередачи пакета профилей
Система	R, м² °С/Вт	U, Вт/м2 °С
ПВХ Пакет профилей (коробка + створка), включая армирование
2-х камерная система	0.52	1.9
3-х камерная система	0.59	1.7
4-х камерная система	0.71	1.4
АЛЮМИНИЙ
“теплый” профиль с термовставкой	0.40	2.3
ДЕРЕВО – СОСНА l = 0.18 Вт/м °С
Толщина коробки d = 80 мм	0.44	2.3
Толщина коробки d = 120 мм	0.67	1.5
ДЕРЕВО – ДУБ l = 0.23 Вт/м °С
Толщина коробки d = 80 мм	0.35	2.9
Толщина коробки d = 120 мм	0.52	1.9

Сегодня мы можем с достаточной основательностью утверждать только то, что однокамерный ПВХ профиль холоднее двухкамерного, двухкамерный, в свою очередь, холоднее трехкамерного и т.д. Иными словами, констатировать очевидный факт того, что увеличение числа воздушных прослоек в конструкции профиля приводит к увеличению его термического сопротивления. Для использования в расчетах приведем данные по термическому сопротивлению профилей различных систем (табл. 1), а также по теплопроводности материалов, из которых они изготовлены (табл. 2).

Таблица 2 Коэффициенты теплопроводности материалов оконных профилей и усилителей

Материал	Теплопроводность, l Вт/м °С
Дерево	0.15 - 0.25
ПВХ	0.25
Стеклопластик	0.30
Алюминий	170 -195
Сталь	45 - 60
Нержавеющая сталь	10 - 20

Следует отметить, что несмотря на ощутимое влияние, которое оконные профили могут оказывать на температурный режим окна и на теплопотери через него, определяющая роль все же сохраняется непосредственно за остекленной частью. Остекление непосредственно влияет на пластиковые окна размеры и цены.

Приведенное термическое сопротивление
Основной нормируемой величиной, отражающей теплозащитные качества светопрозрачной конструкции, является приведенное термическое сопротивление окна R0пр.
Приведенное термическое сопротивление окна R0пр определяется в соответствии со следующими нормативными документами:

СНиП II-3-79* “Строительная теплотехника”

Изменение N 4 к СНиП П-3-79* “Строительная теплотехника” в соответствии с постановлением Госстроя России N 18-8 от 19.01.98 г.
В соответствии со СНиП П-3-79*, базовой расчетной величиной для определения сопротивления теплопередаче является показатель градусосутки отопительного периода — ГСОП, определяемый по формуле

ГСОП = (tB – tOT) ZOT (1)

где tB — температура внутреннего воздуха помещения
tOT и ZОТ — средняя температура и продолжительность отопительного периода (периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной 8°С по СНиП 2.01.01-82 “Строительная климатология и геофизика”). Значение R0пр для помещений гражданских зданий следует принимать в соответствии с табл. 3.

Таблица 3

Здания и сооружения	Градусосутки отопительного периода°С х сут	Приведенное сопротивление теплопередаче окон и балконных дверей не менее R0тp, м² °С/Вт
Жилые, лечебно-профилактические и детские учреждения, школы, интернаты	2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000	0.35 0.45 0.60 0.70 0.75 0.80
Общественные, кроме указанных выше, административные и бытовые, за исключением помещений с влажным или мокрым режимом	2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 12 000	0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80

Приведенное термическое сопротивление окна R0пр определяется по формуле

где Foс и Fпер — площади остекления и непрозрачной части (рамы и переплета), [м2]
Rоос — сопротивление теплопередаче остекления, [м2 °С/ Вт]
Rопер — сопротивление теплопередаче непрозрачной части (рамы и переплета), [м2 °С/Вт]

Значения сопротивлений теплопередаче стеклопакетов приведены в табл. 4, значения сопротивлений теплопередаче оконных профилей — в табл. 1.

Таблица 4 Термическое сопротивление и коэффициент светопропускания стеклопакетов различной конструкции

Конструкция	K=1/R	R	Видимая часть спектра			ИК солнечное излучение
	K=1/R	R	t v — пропускание r v — отражение av — поглощение			t е — пропускание r е — отражение a е — поглощение
	Вт/м2°С	м²°С/Вт	t v	r v	a v	t е	r е	a е
F4-12-F4 F4-16-F4 F4-12Ar-F4 F4-12Kr-F4 F4-16-K4 F4-Ar16-K4 К4-16-К4 К4-Аг16-К4 K4-Kr16-K4 K4-SF16-K4 F4-10-F4-10-F4 F4-12-F4-12-F4 F4-16-F4-16-F4 F4-ArlO-F4-ArlO-F4 F4-Arl6-F4-Arl6-F4 F4-Krl2-F4-Krl2-F4 F4-SF12-F4-SF12-F4 F4-10-P1-10-F4 F4-ArlO-P1-Ar10-F4	2.86 2.74 2.68 2.56 1.74 1.51 1.54 1.29 1.19 2.28 1.99 1.90 1.78 1.81 1.66 1.59 1.97 1.44 1.20	0.35 0.36 0.37 0.39 0.58 0.66 0.65 0.78 0.84 0.44 0.50 0.53 0.56 0.55 0.60 0.63 0.51 0.70 0.83	0.80 0.80 0.80 0.80 0.75 0.75 0.71 0.71 0.71 0.71 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 0.72 0.60 0.60	0.14 0.14 0.14 0.14 0.17 0.17 0.19 0.19 0.19 0.19 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.20 0.21 0.21	0.06 0.06 0.06 0.06 0.08 0.08 0.10 0.10 0.10 0.10 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.09 0.19 0.19	0.68 0.68 0.68 0.68 0.60 0.60 0.54 0.54 0.54 0.54 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.56 0.43 0.43	0.12 0.12 0.12 0.12 0.14 0.14 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.15 0.16 0.16	0.21 0.21 0.21 0.21 0.26 0.26 0.31 0.31 0.31 0.31 0.29 0.29 0.29 0.29 0.29 0.29 0.29 0.40 0.40

Пример

Окно 1.2 x 1.8 м. Профиль — Veka Softline AD — трехкамерный. Стеклопакет — двухкамерный F4 — 12 — F4 — 12 — F4. Район строительства — г. Москва.
1. Термическое сопротивление пакета профилей Ronep = 0.59 м² °С/ Вт (табл. 1).
2. Ширина пакета профилей (коробка + створка) —
d = 123.5 мм (рама 67 мм, створка 82.5 мм — прил. 1).
3. Площадь непрозрачной части:
Fпер = (0.123 x1.8) x2 + (0.123 x((1.2 — 0.123) x2)) = = 0.442 + 0.265 = 0.71 м² .
4. Термическое сопротивление стеклопакета —
R0 = 0.53 м² °С/ Вт (табл. 1).
5. Площадь остекления
Foc = (1.8 x1.2) — 0.71 = 1.45 м².
6. Для г. Москва в соответствии со СНиП 2.01.01-82:
— продолжительность отопительного периода
Zот = 213 сут;
— средняя температура отопительного периода
tOT = – 3.6°С;
— ГСОП = (20 + 3.6) 213 = 5027
7. Интерполяцией по табл. 3 находим
R0тp = 0.55 м² °C/Bт
8. Подставляя значения в формулу (2), получаем

9. Для наглядности результаты расчета могут быть сведены в таблицу

Fпер	Rопер	Fос	Rоос	R0ос Foc+R0пер Fпep	Roпp
0.71	0.59	1.45	0.53	0.59 x 0.71 + 0.53 x 1.45	0.55

10. Вывод. Окно заданной конструкции на пределе (без запаса
по термическому сопротивлению) удовлетворяет нормативным требованиям.

Температура точки росы
Помимо определения непосредственно термического сопротивления окон, регламентируемого соответствующими нормативными документами, необходимо прогнозировать температуру воздуха, при которой будет происходить запотевание окон и выпадение на них конденсата.
Парциальное давление водяного пара, содержащегося в воздухе помещения (абсолютная влажность внутреннего воздуха ев зависит от температуры внутреннего воздуха tв и относительной его влажности jв как

ев = Е (t) x j (3)

Зависимость (3) представлена в графическом виде на Рис. 2.
При низкой температуре наружного воздуха температура на внутренней поверхности остекления (tв.п.), окажется существенно ниже температуры воздуха внутри помещения (в середине помещения на высоте 1.5 м от пола). В этом случае предельное значение парциального давления водяного пара Е, соответствующее температуре tв.п , может быть ниже, чем расчетное ев = f (tв, jв), что приведет к выпадению “лишнего” водяного пара на холодной внутренней поверхности остекления в виде конденсата или изморози. Значение температуры, при котором Е = f (tв.п ) и eв = f (tв, jв) будут равны, соответствует температуре точки росы.

Рис. 2. График для определения точки росы

Пример
Определить вероятность выпадения конденсата на внутренней поверхности однокамерного стеклопакета 4-12-4, установленного в помещении с температурой внутреннего воздуха tв = 20°С и влажностью внутреннего воздуха jв = 60%, при условии, что наружная температура падает до значения tн = –30°С.

1. Согласно табл. 4 находим:
— коэффициент теплопередачи однокамерного стеклопакета 4-12-4
К = 2.86 Вт/м2 °С;
— соответственно термическое сопротивление
R = 1/К = 1/2.86 = 0.35 м² °С/Вт

2. Определяем точку росы (температуру выпадения конденсата на внутренней поверхности остекления) при температуре внутреннего воздуха в помещении tв = 20°C и относительной влажности jв = 60%.
В соответствии с Рис. 2 предельное значение парциального давления водяного пара Е при температуре tв = 20°С равно 17.53 мм. рт. ст. Согласно уравнению (3), абсолютная влажность воздуха е = E (t) j = 17.53 і 0.6 = 10.52 мм. рт. ст., что соответствует температуре точки росы t = 12.0°С.

3. Определяем температуру на внутренней поверхности стеклопакета jв.п. при понижении температуры наружного воздуха до –30°С. Полный температурный перепад в этом случае равен
dТ = Тв – Тн = 20 + 30 = 50°С.
Исходя из того, что падение температуры в толще ограждающей конструкции изнутри помещения наружу пропорционально изменению термического сопротивления, а именно
dtв = (dТ/ Rо) xRB*,
получаем dtв = (50/0.35) x 0.12 = 17.1°С

Температура на внутренней поверхности стеклопакета будет равна tв.п. = 20 – 17.1 = + 2.9°С, что существенно ниже температуры точки росы для данного помещения (t = 12.0°C).

Таким образом, температура на внутренней поверхности однокамерного стеклопакета, установленного в помещении с температурой внутреннего воздуха tв = 20°С и влажностью внутреннего воздуха jв = 60%, при условии падения наружной температуры до значения tн = –30°С, будет существенно ниже температуры точки росы, что приведет к выпадению обильного конденсата и образованию наледи на стекле внутри помещения.
Приведенные выше рассуждения отражают характер физических процессов, имеющих место в остеклении, однако неудобны для применения в практических задачах.
В большинстве случаев при установке стеклопакетов с заведомо заниженным термическим сопротивлением (с целью сокращения единовременных затрат на окна), возникает проблема прогнозирования тех периодов на протяжении холодного сезона, когда внутри помещения будет выпадать конденсат.
Такой режим может быть приемлем для некоторых промышленных предприятий, автостоянок, торговых комплексов и т.п., иными словами, для помещений, не предназначенных для постоянного пребывания людей.
Для приближенной оценки в задачах такого рода могут быть использованы диаграммы, разработанные концерном “Veka” (Рис. 3).

Рис. 3. Диаграммы для определения точки росы

Пример
Определить температуру точки росы для помещения со следующими параметрами внутреннего микроклимата:
tв = 20°С, jв = 60 %
В помещении установлен однокамерный стеклопакет 4-12-4 с коэффициентом теплопередачи К = 2.6 Вт/м2 °С (или термическим сопротивлением R = 1/К = 1/2.6 =
= 0.38 м² °С/Вт).
На верхней диаграмме линию “относительная влажность воздуха” 60% проводят горизонтально до пересечения с кривой К = 2.6. От этой точки опускают перпендикуляр до пересечения с горизонтальной линией “температура помещения 20°С” на нижней диаграмме.
После этого проводят линию, параллельно кривым направо вниз до пересечения с осью “наружная температура”.
Получаем, что точка росы (выпадение конденсата на внутренней поверхности остекления) происходит при температуре 0°С.

И.В. Борискина, А.А. Плотников, А.В. Захаров
“Проектирование современных оконных систем
гражданских зданий”

Найдите все свои архитектурные решения через OKNA.ua: Нажмите здесь чтобы зарегистрироваться. Вы производитель и хотите наладить контакт с клиентами? Кликните сюда.

Автор

Журнал ОКНА. ДВЕРИ. ВИТРАЖИ

+380 44 501 XX XX +380 44 501 8736

+380 44 501 XX XX +380 67 467 1426

Издатель

Журнал ОКНА. ДВЕРИ. ВИТРАЖИ